鋰離（lí）子電池自（zì）從進入市場以來，以其壽（shòu）命長（zhǎng）、比容量大、無記憶效應等優點，獲得了廣泛的應用。鋰離子（zǐ）電池低溫使用存在容量（liàng）低、衰減嚴重、循環倍率性能差、析鋰現象明顯、脫嵌（qiàn）鋰不平衡等問題（tí）。然而，隨著應用領域不斷拓展，鋰離子電池的低溫性能低劣帶來的製約愈（yù）加明顯。

據報道，在-20℃時（shí）鋰離子電池放電容量（liàng）隻有室溫時的31.5%左右。傳統鋰離子電池工作溫度在-20~+55℃之間。但是在（zài）航空航天、軍工、電動車等領域，要求電池能在-40℃正（zhèng）常（cháng）工作。因此，改善鋰離子電池低溫性質具有重（chóng）大意義。

製約鋰離子電池低溫性能的因素

低溫環（huán）境下，電解液的黏度增（zēng）大，甚至（zhì）部分（fèn）凝固，導致鋰離子電池的導電率下降。低溫環境下電解液與負極（jí）、隔膜（mó）之間的相（xiàng）容性變差。低（dī）溫環境下鋰離子電池的負極析出鋰嚴重，並且析出的金屬鋰與電解液反應，其產物沉積導（dǎo）致固態電解質界麵（SEI）厚（hòu）度增（zēng）加。低溫環境下鋰離子電池在活性物質內部擴散係（xì）統降低，電（diàn）荷轉移阻（zǔ）抗（Rct）顯著增大。

對於影響（xiǎng）鋰離子（zǐ）電（diàn）池低溫性能因素的探討

專家觀點一：電解液對鋰離子電池低（dī）溫（wēn）性能的影（yǐng）響最大，電解液的成分及物（wù）化性能對電池低溫性能有（yǒu）重要影響。電池低（dī）溫下（xià）循環麵臨的問（wèn）題是：電解液粘（zhān）度會變（biàn）大，離子傳導速度變慢，造成外電路電子遷移速度不匹配，因此電池出現嚴（yán）重極（jí）化，充放電容量出現急劇降低。尤其當低溫充電時，鋰離子（zǐ）很容易在負極表（biǎo）麵形成鋰枝晶，導致電池失效。

電解液的低（dī）溫性能與（yǔ）電解液自身（shēn）電導率的大（dà）小關係密（mì）切，電導率大電解液的傳輸離子快，低溫（wēn）下可以發揮（huī）出更多的容量。電解液中的鋰鹽解（jiě）離的越多（duō），遷移數目就越多，電（diàn）導率就越高。電導率高（gāo），離子傳導速率越快，所受極化就越小，在低溫（wēn）下（xià）電池（chí）的（de）性能表現越好。因此較高的電導率是（shì）實現鋰離子蓄電池良好低溫性能的必要條件。   

電（diàn）解液的電導率（lǜ）與電解液的組成成分（fèn）有關，減小（xiǎo）溶劑的粘度是提（tí）高電解液電導率（lǜ）的途徑之一。溶劑低溫下溶劑良好的流動性是離子運（yùn）輸的保障，而低溫下電解液在負極所（suǒ）形成的固體電解質膜也是影響鋰離（lí）子傳導（dǎo）的關鍵，且R_SEI為鋰離子（zǐ）電池在低溫環境下的主要阻抗。

專家二：限製鋰離子電池低溫性能的主要因素是低溫（wēn）下急劇增加的Li⁺擴散阻抗，而並非SEI膜。

鋰離子電池正極材料的低溫特性

1、層（céng）狀結構（gòu）正極材料（liào）的低溫（wēn）特性

層狀結構，既擁有一維鋰離子擴散通道所不可（kě）比擬（nǐ）的倍率性能（néng），又擁有三維通道的結構穩定性，是最（zuì）早商用的鋰離子電池正極（jí）材料。其代（dài）表性物質有LiCoO₂、Li(Co_1-xNix)O₂和Li(Ni,Co,Mn)O₂等。

謝曉華等以LiCoO₂/MCMB為研究對象，測試了其低溫充放電特性。

結果顯示，隨著（zhe）溫度的（de）降低，其放電平台由3.762V(0℃)下降到3.207V(–30℃)；其電池總容量也由（yóu）78.98mA·h(0℃)銳減到68.55mA·h(–30℃)。

2、尖（jiān）晶石結構正極材料的低溫特（tè）性

尖晶石結構LiMn₂O₄正極材料，由於不含Co元（yuán）素，故而具有（yǒu）成本（běn）低、無毒性的優勢。

然而，Mn價態多變和Mn³⁺的Jahn-Teller效應，導致該組分存在著結構不穩定和（hé）可逆性差等問題（tí）。

彭正順等指出，不同製備方法對（duì）LiMn₂O₄正極材料的電化學性能（néng）影響較大，以R_ct為例：高溫固相法合（hé）成（chéng）的（de）LiMn₂O₄的R_ct明顯高於溶膠凝膠法合成（chéng）的，且這一現象在鋰離子擴散係（xì）數上也有（yǒu）所體現。究其原因，主要是由於不（bú）同合成方法對產物結晶度和形貌影響較大。

3、磷酸鹽體係正極材料的低溫特性

LiFePO₄因絕佳的體積穩定性和（hé）安全性，和三元材料一起，成為（wéi）目前動力電池正極材料的主體。磷（lín）酸鐵鋰（lǐ）低溫（wēn）性能差主要是因為其材料本（běn）身為（wéi）絕緣體，電子（zǐ）導電率低，鋰離子擴散性差，低溫下導電性差（chà），使得電池內阻增加，所受極化影響大（dà），電池充放電受阻，因此（cǐ）低溫性能不理想。

穀（gǔ）亦傑等在研究低溫（wēn）下LiFePO₄的充放電行為時發現，其庫倫效率從55℃的100%分別下降到0℃時的（de）96%和–20℃時（shí）的64%；放電電壓（yā）從55℃時（shí）的3.11V遞減到–20℃時的2.62V。

Xing等（děng）利用納米碳對LiFePO₄進（jìn）行（háng）改性，發現，添加納米碳導（dǎo）電劑後，LiFePO₄的電化學性能對溫度的敏感性（xìng）降低，低溫性能得到改善；改性後LiFePO₄的放電電壓從25℃時的3.40V下降到–25℃時的3.09V，降低幅度僅為9.12%；且其在–25℃時電池效率為57.3%，高於不含納（nà）米（mǐ）碳導電劑的（de）53.4%。

近來，LiMnPO₄引起了人們濃厚的興趣。研究發（fā）現，LiMnPO₄具有高電位(4.1V)、無汙染、價格低、比容量大(170mAh/g)等優點。然（rán）而，由於LiMnPO₄比LiFePO₄更低的（de）離子電導率，故在實際中常（cháng）常利用Fe部分取（qǔ）代Mn形成LiMn_0.8Fe_0.2PO₄固溶體。

鋰離子電池負極材料的（de）低溫特性

相對於正極材料（liào）而言，鋰離子電池負極材料的低溫（wēn）惡化現象（xiàng）更為嚴重，主要有（yǒu）以下3個原因：

·低（dī）溫大倍率充放電時電池極化嚴重（chóng），負極表麵金屬鋰大（dà）量沉積，且金屬鋰與（yǔ）電解液的反應產物（wù）一般不具（jù）有導電性；·從（cóng）熱力學角度，電解液中含有大量 C–O、C–N 等

極性基（jī）團，能與負極材料反（fǎn）應，所形成的 SEI 膜（mó）更易（yì）受低溫（wēn）影響；·碳負（fù）極在低溫下嵌鋰困難，存在充放電不對稱性。

低溫電解液的研究

電解液在鋰離子電池中承擔著傳遞 Li+ 的作用，其（qí）離子電導（dǎo）率和 SEI 成膜性能對電池低溫性能影響顯著。判斷低溫用電解液優劣，有3個主要指標：離子電導率、電化學窗口和電極反（fǎn）應活（huó）性。而這3個（gè）指標的水平，在很大程（chéng）度上取決（jué）於其組成材料：溶劑、電解質(鋰鹽)、添加劑。因此（cǐ），電解液的各部分低（dī）溫性能的研究，對（duì）理解（jiě）和改善電池的低溫性能，具有重要的意義。

·EC 基電解液低溫特性相比鏈狀碳酸酯（zhǐ）而言，環狀碳酸酯結構緊密（mì）、作用力大，具（jù）有較高的熔點（diǎn）和黏度。但是、環狀結構帶來的大的極性，使其往往具有（yǒu）很大的介（jiè）電常數。EC 溶劑的大（dà）介電常數、高離子導電率、絕佳（jiā）成膜性能，有效防止溶劑分子共插入，使其具有不可（kě）或缺的（de）地位，所以，常用低溫電解液體係大都（dōu）以EC為基，再混合低熔點的（de）小分子溶劑。·鋰鹽是電解液的重要組成。鋰鹽在電（diàn）解液中不 僅能夠提高溶液的離子電導率，還能降低 Li+ 在溶液中的（de）擴散距離。一般而言，溶液中的（de）Li+濃度（dù）越大，其（qí）離子電導率也越大（dà）。但（dàn）電解液中的鋰（lǐ）離（lí）子濃度與鋰鹽的濃度並（bìng）非呈（chéng）線（xiàn）性相關，而是呈拋物線（xiàn）狀。這是因為，溶（róng）劑中鋰離子濃度取決（jué）於鋰鹽在溶（róng）劑中的離解作用和締合作用的強弱。

低（dī）溫電解液的研究

除電池組（zǔ）成本身外，在實（shí）際操作中的工藝因素， 也（yě）會對電池性（xìng）能產生（shēng）很大影響。

(1) 製備工藝。Yaqub 等研（yán）究了（le）電極荷載及 塗覆厚度對 LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2 /Graphite 電池低溫（wēn）性能的（de）影響發現，就容量保持率而言，電極荷載 越小，塗覆層越薄（báo），其低溫性能越好。

(2) 充（chōng）放電狀態（tài）。Petzl 等研究了低溫充放電 狀態對（duì）電池循環壽命的影響，發現，放電深度較大時（shí），會引起較大的容量損失，且降低循環壽命。

(3) 其它因（yīn）素。電極的表麵積、孔徑（jìng）、電極密度、電極（jí）與電解（jiě）液的（de）潤濕性及隔膜等，均影響著鋰離子電池的低溫性能。另外（wài），材料（liào）和工藝的缺（quē）陷對電池（chí）低溫性（xìng）能的影（yǐng）響也不容忽視。

總結

為保證鋰離子電（diàn）池的（de）低溫性能，需要做好以（yǐ）下幾點： 

(1) 形成薄而致密的 SEI 膜；

(2) 保證 Li+ 在活性物質中具有較大的擴（kuò）散係數；

(3) 電解液在低溫（wēn）下具有高的離（lí）子電導率。

此外，研究中還可另辟蹊徑，將目光投向另一類鋰離子電池——全（quán）固態鋰離子電池。相較常規的鋰離子電池而言，全固態鋰離子電池（chí），尤其是全（quán）固態薄膜鋰離子電池，有望（wàng）徹底解決電池在低（dī）溫下使用的容量衰減問題和（hé）循環安全問題。

本文由鋰博（bó）士整理摘錄於《鋰離子（zǐ）電池低溫特性研究進展 》一文，原作者：趙世璽、郭雙濤等。